高中生物第3节 发酵工程及其应用学案

这是一份高中生物第3节 发酵工程及其应用学案，共16页。学案主要包含了师问导学，智涂笔记，师说核心，检测反馈，网络建构，主干落实等内容，欢迎下载使用。

1.阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。
2．举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。
素养达成
1.根据发酵产品和利用微生物的不同讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。(科学探究)
2．认可发酵工程在生产上的重要应用价值。(社会责任)
味精是人们熟悉的鲜味剂，是L－谷氨酸钠盐，早期味精是由酸法水解蛋白质进行制造的，自从1956年日本协和发酵公司用发酵法生产以后，发酵法生产迅速发展，目前世界各国均以此法进行生产。实际上发酵法在微生物发酵阶段，主要是获得谷氨酸，制造味精是后续工艺完成的。
谷氨酸发酵是通气发酵，也是我国目前通气发酵产业中，生产厂家最多、产品产量最大的产业。你想知道味精是怎么生产出来的吗？请学习本节课的内容。
探究点一 发酵工程的基本环节和影响因素
【师问导学】
1．请根据发酵工程的基本环节和发酵罐的结构，思考回答下列问题。
(1)微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？
(2)怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
(3)在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？
2．利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？
3．啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？
【智涂笔记】
[名师提醒]
发酵工程中发酵条件的控制
1．微生物发酵生产的水平最基本的条件取决于生产菌种的性能，但有了优良的菌种之后，还需要有最佳的环境条件即发酵工艺加以配合，才能使其生产能力充分表现出来。因此必须研究生产菌种的最佳发酵工艺条件，如营养要求、培养温度、pH条件、对氧的需求等，据此设计合理的发酵工艺，使生产菌种处于最佳的产物合成条件下，才能取得优质高产的效果。
2．由于微生物发酵是多达数十步甚至数百步的生物化学反应，其过程远比化学反应过程复杂，往往环境条件的微小变化，就会对微生物的生产能力产生明显影响。所以，为了控制整个发酵过程，必须了解微生物在发酵过程中的代谢变化规律，这是通过各种检测方法，测定各种发酵参数如细胞浓度、碳源、氮源等物质的消耗、产物浓度等随时间变化的情况，以便能够控制发酵过程，使生产菌种的生产能力得到充分发挥。
【师说核心】
1．发酵工程的基本环节分析
2．发酵过程的影响因素及相应的调节和控制方法
(1)温度
微生物分解有机物释放的能量，一部分用于合成ATP，另一部分散发到培养基中时，会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。
调节和控制培养液温度的方法：用冷却水进行温度的调节。
(2)pH
pH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时，培养液的pH就会下降；而碱性物质的生成则会导致培养液的pH上升。
调节和控制培养液pH的方法：在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱。
(3)溶解氧
对于好氧型微生物，发酵过程要保证充足的溶解氧；对于厌氧型微生物，要保证严格的无氧环境。
调节和控制溶解氧的方法：利用发酵罐的通气口控制氧气的量。
3．啤酒的工业化流程
【检测反馈】
1．某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述错误的是( )
A．夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理
B．乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大
C．正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压
D．可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵
2．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。
(1)图中①表示的育种方法是____________。
(2)人工控制微生物代谢的措施包括__________________和________________。
(3)在赖氨酸或谷氨酸发酵过程中，产物源源不断地产生，这说明该生产采用了__________的发酵方式。在生产过程中，常需增加通氧量，因此判断赖氨酸或谷氨酸发酵菌种为________菌。
(4)当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用____________等分离提纯的方法进行提取。
探究点二 发酵工程的应用
【师问导学】
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，做出了越来越大的贡献。请思考回答以下问题。
1．利用微生物将纤维素发酵产生乙醇，和汽油按一定比例混合后形成乙醇汽油，请描述一下乙醇汽油的优点。
2．请列举发酵工程在环境保护方面的其他应用。
3．请列举发酵工程在其他行业中的应用。
4．微生物肥料使作物增产的原理是什么？
5．微生物农药防治农林害虫的原理是什么？
【智涂笔记】
[知识拓展]
1. 微生物农药
微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害，促进农作物生长的农药。它具有选择性强，环境友好，不易产生抗性等优点。微生物农药可分为活体微生物农药和农用抗生素两大类，其中活体微生物农药按其作用方式可分为细菌农药、真菌农药和病毒农药；接其防治对象又可分为杀虫剂、杀菌剂和除草剂。
2. 微生物肥料
根据微生物肥料的功能和肥效，可以将其大致分为以下几类：增加土壤和作物氮素的菌肥，如根瘤菌肥料、固氮菌肥料；分解土壤有机质的菌肥，如有机磷细菌肥料；分解土壤难溶性矿物质的菌肥，如钾细菌肥料；刺激植物生长的菌肥，如抗生菌肥料；提升作物根系吸收营养物质能力的菌肥，如菌根菌肥料。
3. 微生物饲料
微生物饲料包括青贮饲料、单细胞蛋白饲料、饲料酶制剂等。微生物饲料中的微生物既可以降解、转化粗饲料中的营养成分，使它们变得利于吸收，又可以通过其生长、代谢，弥补常规饲料中所缺乏的蛋白质、乳酸等物质。目前，微生物饲料在我国已得到了广泛应用，但也存在一些问题，如菌种保存问题、产品标准问题、饲料的稳定性和安全性问题等需要解决，这些也是未来微生物饲料改进的方向。
【师说核心】




【检测反馈】
1．下列对发酵工程应用的描述，错误的是( )
A．微生物肥料利用了微生物在发酵过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力
B．微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的
C．微生物饲料主要利用的是微生物菌体
D．发酵工程和基因工程结合，能生产自然界不存在的蛋白质
2．下列关于单细胞蛋白的叙述，正确的是( )
A．是从微生物细胞中提取的蛋白质
B．通过发酵生产的微生物菌体
C．是微生物细胞分泌的抗生素
D．单细胞蛋白不能作为食品
3．关于发酵工程应用的说法错误的是( )
A．发酵工程的产品可以是微生物的代谢产物
B．通过发酵工程可以从微生物中提取一些酶
C．通过发酵工程可以从微生物中提取单细胞蛋白
D．发酵工程的产品可以是微生物的菌体
【网络建构】
【主干落实】
1．性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
2．发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。
3．发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。
4．如果发酵产品是微生物菌体可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品；如果发酵产品是微生物的代谢物可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
5．发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及微生物的菌体。
1.关于发酵工程说法错误的是( )
A．依赖微生物纯培养技术的建立
B．发酵设备都是密封的
C．食品、医药工业离不开发酵工程
D．发酵工程与工农业生产也有密切关系
2．关于发酵工程的菌种说法错误的是( )
A．发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来
B．发酵工程可以利用原材料中含有的菌种
C．发酵工程的菌种可以来自基因工程
D．发酵工程的菌种可以来自诱变育种
3．严格控制发酵条件是保证发酵正常进行的关键，直接关系到是否能得到质量高、产量多的理想产物，通常所指的发酵条件不包括( )
A．温度控制 B．溶氧控制
C．pH控制 D．酶的控制
4．下列关于发酵工程的产品及所利用的菌种，对应错误的是( )
A．利用酵母菌生产各种酒类
B．利用白僵菌生产酱油和柠檬酸
C．利用根瘤菌生产微生物肥料
D．利用酵母菌生产乙型肝炎疫苗
5．啤酒是发酵工程的主要产品，关于啤酒发酵的说法错误的是( )
A．啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的
B．酵母菌的大量繁殖在啤酒发酵主发酵阶段
C．啤酒生产的主发酵阶段酵母菌主要进行有氧呼吸
D．啤酒生产的后发酵阶段是在低温和密闭环境下进行的
6．发酵法生产酒精后的废液(pH 4.3)含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体，生产高蛋白饲料。培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下。请据图回答下列问题：
(1)实验过程中培养白地霉的培养基是____________。培养基定量分装前，先调节________，分装后用棉塞封瓶口，最后________处理。
(2)图中①过程称为________，从甲到丁的培养过程是为了____________。白地霉菌的代谢类型为____________。
(3)为确定菌体产量，图中②操作之前，应先称量________的质量。过滤后需反复烘干称量，直至________。所获菌体干重等于________________________。
(一)从社会中来
提示：工业上，青霉素的产生按照发酵工程的基本环节进行，首先进行青霉素生产菌高产菌种的选育，然后将高产菌种进行扩大培养增加菌种数量，同时配制适合青霉素生产菌生长的培养基并进行灭菌，在无菌条件下将大量优良高产菌种接种到培养液中，控制温度、pH、溶解氧等发酵条件进行发酵，发酵结束后进行青霉素的分离、提纯，就可得到大量青霉素。
(二)旁栏思考题
1．菌种选育时需要相对稳定且独特的环境条件，这有利于微生物生长繁殖，形成稳定的、具有特殊能力的高产菌种。
2．加酶洗衣粉中的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶等；探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶；探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶；探究果胶酶在果汁生产中应用的实验中的果胶酶等。
(三)思考·讨论
发酵工程基本环节分析
1．若生产的是微生物直接合成的产物，则可以从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。若生产的是微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程菌，从而达到生产相应产品的目的，同时还应注意温度、pH、溶解氧等对菌种的影响。
2．发酵条件直接会影响微生物的生长和发酵产品的质量，发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等。温度条件的调控可通过向冷却夹层通入冷水来调控；pH条件的调控可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱；溶解氧的调控需根据微生物的代谢类型，若微生物是需氧型的，可通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。若微生物是厌氧型的，需封闭空气入口，建立厌氧环境等。
3．传统发酵技术的发酵产物不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，基本没有经过产物分离和提纯等步骤。发酵工程的发酵产物根据产物的种类采取不同的分离、提纯方法，若发酵产物是微生物细胞本身，则采用过滤、沉淀等方法将菌体分离、提纯；若发酵产物是代谢物，则根据代谢物性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法分离、提纯。
4．不能，发酵生产时，排出的气体可能含有有毒气体，废弃培养液可能含有有毒物质，这些都可能会污染环境，对人体健康造成危害，此外，废弃培养液中的微生物也可能会污染水体、感染人体。因此，排出的气体和废弃培养液等需经检测、处理后才能排到外界环境中。
啤酒的工业化生产流程
1．发芽产生淀粉酶，使淀粉分解为葡萄糖，保证了充足的发酵底物，焙烤降低了水分，加热杀死了胚，减少胚发育时有机物的消耗，也保证了足够多有机物用于发酵；碾磨时将麦芽磨成麦芽粉，可以在糖化时使淀粉酶充分与底物——淀粉接触，产生更多葡萄糖，以上手段均保证了啤酒产量的提高。蒸煮手段和消毒手段均在一定程度上杀死了微生物，防止污染啤酒，保证了啤酒质量的提高。且接种单一菌种保证了质量和产量的提高。
2．“精酿”啤酒不添加食品添加剂，纯麦芽酿造，从这个角度看，“精酿”啤酒饮用起来更健康。但它不进行过滤和消毒，一旦被杂菌污染，也会危害人体健康。“精酿”啤酒由于只是使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水进行酿造，发酵时间较长，使得它的麦芽汁浓度更高，品味更加浓郁，虽然产量低、价格高，但却有市场需求；而大规模生产的“工业”啤酒，为了节约生产成本，除了上述原料外，还添加了大量的大米、玉米和淀粉作为替代品，发酵时间也只有7天左右，使得它的麦芽汁浓度较低，品味清淡，但其生产成本低、产量高、价格低，有着更大的市场需求，根据消费者的不同需求，大规模生产和小规模制作都有其存在的必要性。
(四)到社会中去
1．每天的食谱中直接由微生物发酵生产的有馒头、酸奶、酱油、醋、泡菜等。食品中添加了经发酵生产的食品添加剂的有方便面、火腿肠、饼干等。
2．略。
(五)练习与应用
概念检测
(1)× (2)√ (3)√ (4)×
拓展应用
1．(1)提示：利用基因工程将血红蛋白基因转移至青霉菌细胞内，使青霉菌细胞内合成血红蛋白，增加其携带O2的能力，从而保证在发酵过程中给青霉菌持续高效地供氧。
(2)提示：通过改造青霉素生产菌，使产生青霉素或头孢霉素的酶的基因不能表达，这样就能使其只生产头孢霉素或只生产青霉素了。
2．提示：按照我国的国家标准，乙醇汽油是90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成的，由于燃料乙醇所占比例较低，所以虽然需要消耗大量粮食，但不会增加粮食短缺的风险。而且在生产燃料乙醇时，可以利用秸秆、稻草等加工转化为乙醇，粮食、稻米用于人们生活，以降低粮食短缺的风险。
第3节 发酵工程及其应用
互动·探究·智涂
探究点一
【师问导学】
1．(1)提示：选择发酵工程中用的菌种，在考虑生产需要(如微生物体内酶的催化能力、微生物的繁殖速度等)的同时，还要结合当地的气候和发酵设备等实际情况。
(2)提示：①反复试验确定培养基的配方。
②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。
③用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制。
④控制发酵过程的温度、pH和溶解氧等发酵条件。可用温度传感器、冷却水进入口和排出口控制温度，空气入口控制氧气的量等。
(3)提示：不能。发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备，达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。因为有些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用。
2．提示：“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。
3．提示：醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
【检测反馈】
1．解析：果酒发酵的适宜温度为18～25 ℃，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A正确；乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物，因此分解过程中不需要通入空气，B错误；无氧呼吸产生了二氧化碳，但是没有消耗氧气，因此发酵罐中的气压不会低于大气压，C正确；葡萄酒发酵的原料是糖类，因此可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵，D正确。
答案：B
2．解析：基因工程、细胞工程和诱变育种是发酵工程菌种的来源；控制微生物代谢的措施包括两个方面：一方面是改变微生物的遗传特性，另一方面是控制微生物的生长繁殖条件；在发酵生产中，产物源源不断地产生，因此发酵过程是连续的；发酵生产的产品是代谢产物，分离提取产物的方法有萃取、蒸馏和离子交换等。
答案：(1)诱变育种 (2)改变微生物遗传特性 控制生产过程中的各种条件 (3)连续培养 好氧 (4)萃取(或蒸馏或离子交换等)
探究点二
【师问导学】
1．提示：乙醇可通过粮食发酵制得，是可再生能源，推广使用乙醇汽油可以节省石油资源；乙醇燃烧生成二氧化碳和水，能减少汽车尾气的污染等。
2．提示：利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾，利用发酵工程使烟气脱硫，还可以利用微生物工程除臭等。
3．提示：在农业生产中，可以利用农作物废弃物生产食用菌，利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料；在植物保护方面，应用微生物产生的抗生素来生产生物农药，治理病虫害等。
4．提示：微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质能增进土壤肥力、改良土壤结构，促进植物生长。
5．提示：微生物农药是利用微生物或其代谢产物来防治病虫害的。
【检测反馈】
1．解析：考查发酵工程在农牧业和医药方面的应用。微生物肥料利用了微生物在发酵过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长，A正确；微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，是生物防治的重要手段，B正确；通过发酵获得大量的微生物菌体，即单细胞蛋白作为饲料，因此微生物饲料主要利用的是微生物菌体，C正确；发酵工程和基因工程结合推动了发酵工程在医药领域的发展，但是只能生产自然界已存在的蛋白质，不能生产自然界不存在的蛋白质，蛋白质工程才有可能生产出，D错误。
答案：D
2．解析：单细胞蛋白是利用淀粉或纤维素的水解液，制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得的大量的微生物菌体，所以不是特指微生物的某种蛋白质或抗生素；单细胞蛋白含有丰富的蛋白质，如真菌蛋白可作为食品。
答案：B
3．解析：单细胞蛋白是通过发酵工程获得的微生物菌体，而不是从微生物中提取单细胞蛋白。
答案：C
随堂·巩固·达标
1．解析：发酵设备是密闭的，不是密封的。
答案：B
2．解析：传统发酵技术利用的是原材料中的菌种，发酵工程利用的是经过筛选或培育的菌种。
答案：B
3．解析：通常所指的发酵条件包括温度、pH、溶氧、通气与转速等。酶是自身调节物质，不属于发酵条件。
答案：D
4．解析：酱油和柠檬酸是利用黑曲霉菌生产的。
答案：B
5．解析：啤酒生产的主发酵阶段，大部分糖分解和代谢产物生成，此时酵母菌主要进行无氧呼吸。
答案：C
6．答案：(1)废液上清液 pH 灭菌 (2)接种 扩大培养 异养需氧型 (3)滤纸 恒重(质量基本不变) 恒重时的质量与滤纸质量之差(答案合理即可)